用java數字簽名提供xml安全
眾所周知，xml在產品和項目開發中起著非常重要的作用。通過xml文檔可以獲取很多信息，還可以使用xml文件進行crud（增加、查詢、更新和 刪除）操作。然而值得注意的是，我們如何確保xml中的數據是來自經過認證的可信和可靠的來源。關于xml文件數據的可靠性和真實性存在很多問題。通常的 情況是，開發者直接處理xml文件而不去考慮數據的可靠性。有一些情況提出了上面的所有問題。現實生活中，每當我們從郵局收到一封信件時我們如何確定這封 信是來自我們的朋友？依據可能是他/她的習慣用語、用詞或者郵件詳細地址。也可能是他/她的個性簽名。如今，我們收到的信件可能被某人進行了篡改，添加了 其他內容。基于上述原因，通常我們會驗證朋友的手寫簽名。當然這些是關于來自郵局的普通郵件。電子消息又該如何？我們如何驗證電子消息的真實性？這種情況 我們會采用數字簽名。本文會對保證數據完整性的xml數字簽名技術進行簡要介紹，并且展示如何為xml文件附加電子簽名及其驗證過程。
使用的技術
過去幾年里，xml數字簽名取得了快速發展，在金融領域尤其如此。在開始討論之前，讓我們考慮一個典型場景：想象一下，某個組織將所有雇員的薪資內 容用xml文件發送給所得稅部門。那么現在的問題是：所得稅部門如何驗證這份xml文件？這就是說，it部門需要驗證該組織的敏感信息。it部門需要確保 xml文件的來源可信，并且在it部門收到之前沒有經過篡改——也就是說文檔的內容沒有在傳遞中被修改。首先，我們需要理解數字簽名的概念。數字簽名是一 種用來驗證文檔發自可信方的電子簽名。它確保了文檔的原始內容在傳輸中沒有受到修改。數字簽名可以用于任何加密和非加密消息，因此接收方可以識別發送者的 身份，并確認消息沒有被其他人修改。根據維基百科的定義：“數字簽名是一種驗證數字信息或文檔的數學方法”。一個有效的數字簽名可以讓接收者確認收到的消 息來自已知發送方，發送者不能否認自己發送了此消息（提供認證和不可否認性）并且此消息在傳輸中未經修改（提供完整性）。數字簽名通常被用在軟件發布、金 融事務和其他需要檢測偽造或篡改的重要場合。
下面讓我們來看完整的一個帶有數字簽名的xml文件：
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<?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?><salarydeposit> <organisation> <name>ddlab inc</name> <accountno>sbc-12345789</accountno> </organisation> <employees> <emp> <name>john abraham</name> <accountno>sb-001</accountno> <amount>1234</amount> </emp> <emp> <name>bipasha basu</name> <accountno>sb-002</accountno> <amount>2334</amount> </emp> <emp> <name>vidya balan</name> <accountno>sb-003</accountno> <amount>3465</amount> </emp> <emp> <name>debadatta mishra</name> <accountno>sb-007</accountno> <amount>5789</amount> </emp> <emp> <name>priti zinta</name> <accountno>sb-009</accountno> <amount>1234</amount> </emp> </employees> <signature xmlns="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#"> <signedinfo> <canonicalizationmethod algorithm="http://www.w3.org/tr/2001/rec-xml-c14n-20010315"/> <signaturemethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> <reference uri=""> <transforms> <transform algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> </transforms> <digestmethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> <digestvalue>bhs+6uf8kbjv4agzohnhlfnxvkm=</digestvalue> </reference> </signedinfo> <signaturevalue> auemrct5dzeofsnaznzot0if8wz8kqcmnxdqtoeseonvk3nqok9ctcxrf3qvx3wp6810ddrpdi6l e8ccg64ge0hjko+ayc5+c2l/qkbzwtsbl/oljeufu2dvxbqo+k29ttujfxpvzc9zf2pvt+1nrj0f 2/ofhujyz01d6+yqi8c= </signaturevalue> <keyinfo> <keyvalue> <rsakeyvalue> <modulus> jfad5uv38l36+ldzjrqfh9oln86vjezxyfaeu+lrfohlkaxvjlai9hkvbhqrer4tpfdez6isbksl 6ihkpnvrakt0xu99uxi5qpymswax3qnbqhlw9z70pwyz+xysfw4q2tk2htsguohmuaucif9sbhvf gbvcrpgxdzzqfizdmdu=</modulus> <exponent>aqab</exponent> </rsakeyvalue> </keyvalue> </keyinfo> </signature> </salarydeposit> |
上面是一個帶有簽名的xml文件，該文件可以隨時進行驗證。文件中包了含雇員名稱、帳號和薪資信息。然而，實際的數字簽名通 過<signature></signature>標記進行附加。<signature> 標記中的信息提供了文檔的真實性。正如你看到的那樣，雖然你可以隨意修改其中的數據，但是這種修改會在隨后的簽名驗證中被查到。
基本上數字簽名有三種類型：
- 封內簽名
- 封外簽名
- 分離簽名
封內簽名
這種簽名是將簽名作為xml對象的子信息，也就是說 <signature>是郵件中xml文件的子標簽。封內數字簽名的結構如下：
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<rootelement> <signature> …… </signature> </ rootelement> |
本文會介紹如何創建xml封內數字簽名。
封外簽名
這種簽名將xml文檔包含到signature對象，也就是說<signature>標簽是簽名xml文件的根元素。封外簽名結構如下：
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<signature > < myxmldocument > …… </ myxmldocument > </signature> |
分離簽名
這種情況下，簽名是獨立生成的不作為xml的一部分。也就是說你會擁有兩個xml文件：一個待簽名的xml文件，另一個是xml簽名。下面是分離簽名的xml結構：
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<signature> …… </signature> |
xml數字簽名文件結構如下：
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<signature xmlns=""> <signedinfo> <canonicalizationmethod algorithm="" /> <signaturemethod algorithm="" /> <reference uri=""> <transforms> <transform algorithm="" /> </transforms> <digestmethod algorithm="" /> <digestvalue></digestvalue> </reference> </signedinfo> <signaturevalue></signaturevalue> <keyinfo> <keyvalue> <rsakeyvalue> <modulus></modulus> <exponent></exponent> </rsakeyvalue> </keyvalue> </keyinfo> </signature> |
xml中<signature>有3個子標簽，結構如下：
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<signature> <signedinfo></signedinfo> <signaturevalue></signaturevalue> <keyinfo></keyinfo> </signature> |
這里<signature>是xml數字簽名的根元素，這一點由w3c建議并且必須遵守。<signedinfo>元素是你的簽名信息；<signaturevalue>包含了實際的簽名以及使用base64加密的內容；最后<keyinfo>表示公鑰。讓我們再看一下<signedinfo>標簽，結構如下：
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<signedinfo> <canonicalizationmethod algorithm="http://www.w3.org/tr/2001/rec-xml-c14n-20010315"/> <signaturemethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> <reference uri=""> <transforms> <transform algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> </transforms> <digestmethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> <digestvalue>bhs+6uf8kbjv4agzohnhlfnxvkm=</digestvalue> </reference> </signedinfo> |
當使用java創建xml數字簽名時，signedinfo對象被用來在數字簽名的signature標簽內創建元素。這也是w3c建議的xml簽名標準中的一部分。
xml標簽<keyinfo>的結構如下：
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<keyinfo> <keyvalue> <rsakeyvalue> <modulus></modulus> <exponent></exponent> </rsakeyvalue> </keyvalue> </keyinfo> |
keyinfo>標記包含了需要數學計算的相關信息，主要有公鑰的系數和指數。
要創建xml數字簽名可以遵循下列步驟：
- 生成一組私鑰和公鑰。
- 獲得原始xml文件。
- 通過java api使用私鑰和公鑰為原始的xml文件簽名，生成帶有xml簽名的文檔。
讓我們看看使用java生成xml簽名的相關代碼：
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public void generatexmldigitalsignature(string originalxmlfilepath, string destnsignedxmlfilepath, string privatekeyfilepath, string publickeyfilepath) { // 獲取xml文檔對象 document doc = getxmldocument(originalxmlfilepath); // 創建xml簽名工廠 xmlsignaturefactory xmlsigfactory = xmlsignaturefactory.getinstance("dom"); privatekey privatekey = new kryptoutil().getstoredprivatekey(privatekeyfilepath); domsigncontext domsignctx = new domsigncontext(privatekey, doc.getdocumentelement()); reference ref = null; signedinfo signedinfo = null; try { ref = xmlsigfactory.newreference("", xmlsigfactory.newdigestmethod(digestmethod.sha1, null), collections.singletonlist(xmlsigfactory.newtransform(transform.enveloped, (transformparameterspec) null)), null, null); signedinfo = xmlsigfactory.newsignedinfo( xmlsigfactory.newcanonicalizationmethod(canonicalizationmethod.inclusive, (c14nmethodparameterspec) null), xmlsigfactory.newsignaturemethod(signaturemethod.rsa_sha1, null), collections.singletonlist(ref)); } catch (nosuchalgorithmexception ex) { ex.printstacktrace(); } catch (invalidalgorithmparameterexception ex) { ex.printstacktrace(); } // 傳入公鑰路徑 keyinfo keyinfo = getkeyinfo(xmlsigfactory, publickeyfilepath); // 創建新的xml簽名 xmlsignature xmlsignature = xmlsigfactory.newxmlsignature(signedinfo, keyinfo); try { // 對文檔簽名 xmlsignature.sign(domsignctx); } catch (marshalexception ex) { ex.printstacktrace(); } catch (xmlsignatureexception ex) { ex.printstacktrace(); } // 存儲簽名過的文檔 storesigneddoc(doc, destnsignedxmlfilepath); } |
xml簽名驗證
數字簽名的驗證包含以下操作：
驗證數字簽名
- 計算<signedinfo>元素摘要。
- 使用公鑰解密<signaturevalue>元素。
- 比較上面兩個值。
- 計算引用摘要
- 重新計算<signedinfo>元素引用摘要。
- 將它們與<digestvalue>中的摘要比較。
為了驗證xml簽名文檔，需要完成下列步驟
- 得到xml文檔和公鑰。
- 驗證<signedinfo> 元素的數字簽名。
- 計算<signedinfo> 元素的摘要并對值進行比較。
讓我們看看下面這段xml數字簽名示例代碼：
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public static boolean isxmldigitalsignaturevalid(string signedxmlfilepath, string pubickeyfilepath) throws exception { boolean validflag = false; document doc = getxmldocument(signedxmlfilepath); nodelist nl = doc.getelementsbytagnamens(xmlsignature.xmlns, "signature"); if (nl.getlength() == 0) { throw new exception("no xml digital signature found, document is discarded"); } publickey publickey = new kryptoutil().getstoredpublickey(pubickeyfilepath); domvalidatecontext valcontext = new domvalidatecontext(publickey, nl.item(0)); xmlsignaturefactory fac = xmlsignaturefactory.getinstance("dom"); xmlsignature signature = fac.unmarshalxmlsignature(valcontext); validflag = signature.validate(valcontext); return validflag; } |
如上面示例代碼所示，xml簽名可以通過重新計算<signedinfo>的摘要值進行驗證，驗證算法由 <signaturemethod>元素指定；使用公鑰可以驗證<signedinfo>摘要中 的<signaturevalue>值是否正確。 引用摘要會在<signedinfo>元素中重新計算，并與<reference> 元素中對應的<digestvalue> 進行比對。接下來，讓我們熟悉一下xml數字簽名相關的java組件。
xmlsignaturefactory
xmlsignaturefactory是生成xml文檔數字簽名的工廠對象。對象的創建如下列代碼所示：
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xmlsignaturefactory factory = xmlsignaturefactory.getinstance("dom"); |
domsigncontext
domsigncontext對象用來生成dom樹。在創建數字簽名的過程中，dom樹會被附上xml數字簽名。domsigncontext對象要求輸入私鑰和xml文檔的根元素。
reference
reference對象用來在signature 標記的signedinfo內部創建xml數字簽名。對象創建的遵循“w3c xml簽名文法和處理”規則。reference的基本結構如下：
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<reference uri=""> <transforms> <transform algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> </transforms> <digestmethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> <digestvalue>bhs+6uf8kbjv4agzohnhlfnxvkm=</digestvalue> </reference> |
signedinfo
類似的，signedinfo對象可以在數字簽名的signature標記內部創建元素。創建的規則同樣遵循“w3c xml數字簽名協議”。signedinfo的基本結構如下：
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<signedinfo> <canonicalizationmethod algorithm="http://www.w3.org/tr/2001/rec-xml-c14n-20010315"/> <signaturemethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> <reference uri=""> <transforms> <transform algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> </transforms> <digestmethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> <digestvalue>bhs+6uf8kbjv4agzohnhlfnxvkm=</digestvalue> </reference> </signedinfo> |
xmlsignature
最后，xmlsignature對象用來創建xml文檔的封面簽名。按照w3c的建議，簽名對象應該作為xml數字簽名的根元素。
完整的結構如下：
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<signature xmlns="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#"> <signedinfo> <canonicalizationmethod algorithm="http://www.w3.org/tr/2001/rec-xml-c14n-20010315"/> <signaturemethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> <reference uri=""> <transforms> <transform algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> </transforms> <digestmethod algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> <digestvalue>bhs+6uf8kbjv4agzohnhlfnxvkm=</digestvalue> </reference> </signedinfo> <signaturevalue>auemrct5dzeofsnaznzot0if8wz8kqcmnxdqtoeseonvk3nqok9ctcxrf3qvx3wp6810ddrpdi6l e8ccg64ge0hjko+ayc5+c2l/qkbzwtsbl/oljeufu2dvxbqo+k29ttujfxpvzc9zf2pvt+1nrj0f 2/ofhujyz01d6+yqi8c=</signaturevalue> <keyinfo> <keyvalue> <rsakeyvalue> <modulus>jfad5uv38l36+ldzjrqfh9oln86vjezxyfaeu+lrfohlkaxvjlai9hkvbhqrer4tpfdez6isbksl 6ihkpnvrakt0xu99uxi5qpymswax3qnbqhlw9z70pwyz+xysfw4q2tk2htsguohmuaucif9sbhvf gbvcrpgxdzzqfizdmdu=</modulus> <exponent>aqab</exponent> </rsakeyvalue> </keyvalue> </keyinfo> </signature> |
為了有一個完成的理解，可以從這里下載完整的netbeans項目代碼。
可以用你最喜歡的java ide對項目進行配置；也可以在source文件夾下運行程序。這個項目已經包含了公鑰和私鑰。如果想要自己生成，可以運行 “testgeneratekeys”類生成一對公鑰和私鑰。通過指定自己的xmi文件，還可以查看xml簽名的生成過程。
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